人參全球產地生態(tài)適宜性分析及農田栽培選地規(guī)范

沈亮+吳杰+李西文+徐江+董林林+桑明春+孫成忠+藤原直樹+陳士林

[摘要]通過開展人參全球范圍內產地生態(tài)適宜性分析及農田栽培選地規(guī)范制定，為農田栽參合理規(guī)劃生產布局及規(guī)范化種植提供科學依據(jù)。采用中國中醫(yī)科學院中藥研究所自主研發(fā)的“藥用植物全球產地生態(tài)適宜性區(qū)劃信息系統(tǒng)”（global geo-graphic information system for medicinal plant，GMPGIS），以本草文獻記載的道地產區(qū)、野生分布區(qū)以及當前主產區(qū)271個樣點的生態(tài)環(huán)境因子值為計算依據(jù)，經過生態(tài)相似性分析獲得人參全球范圍內的最佳生態(tài)適宜產區(qū)和潛在種植區(qū)，主要包括美國、加拿大、中國、俄羅斯、日本、朝鮮、法國、意大利、烏克蘭、韓國等國家。其中，人參在中國的生態(tài)適宜產區(qū)主要包括黑龍江、吉林、遼寧、陜西、甘肅、湖北、四川、內蒙古、山東和山西等省區(qū)。另外，在產地生態(tài)適宜性分析結果和項目組多年農田栽參研究數(shù)據(jù)基礎上，結合文獻及對部分種植基地的調研結果，初步制訂了農田栽參選地規(guī)范。該研究為人參農田規(guī)?；N植、引種栽培和保護撫育提供科學依據(jù)，農田栽參選地規(guī)范為高品質人參的科學生產奠定基礎。

[關鍵詞]人參；生態(tài)適宜性；GMPGIS；農田栽參；選地規(guī)范

人參為五加科植物人參Panax ginseng C.A.Mey.的干燥根及根莖，享有“百草之王”美譽，主要分布在中國東北、朝鮮、韓國、日本、俄羅斯東部地區(qū)，是馳名中外的珍貴藥材。人參藥用價值較高，長期掠奪式采挖以及生態(tài)環(huán)境破壞，導致其野生資源瀕臨枯竭，已被中國《國家重點保護野生藥用動植物名錄》收錄，目前人參藥材主要來源于栽培品。雖然中國人參產量大、質量好，但其依靠“伐林栽參，參后還林”的栽培模式，對森林資源和生態(tài)環(huán)境造成了嚴重破壞。自1998年起，中國政府明令禁止砍伐森林，規(guī)定25°以上坡地必須退耕還林，造成人參可用林地資源銳減。由于人參連作障礙一直未能解決，原栽培地恢復期在20年以上，人參種植地面臨重新選地問題，嚴重限制了人參產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。2012年，衛(wèi)生部批準人參作為新資源食品在市場上流通，由此導致人參全球范圍內供需矛盾日益突出。

為滿足國內外市場對人參的巨大需求，中國迫切需要走上“農田栽參”等非林地栽參的發(fā)展道路。農田栽參種植模式解決了參、林爭地矛盾，有利于人參的集約化經營和科學化管理。韓國、日本、朝鮮等國通過開展人參新品種培育等相關研究，現(xiàn)已具備較為完善的“農田栽參，參糧輪作”配套種植技術。與此相比，中國“農田栽參”起步較晚，又缺乏適合在農田栽培的人參新品種，技術體系還不完善。盲目進行農田引種，不僅造成大范圍死苗現(xiàn)象，產量下降，導致資源、人力、物力的浪費，還導致藥材質量下降，影響臨床療效。由于人參新品種培育歷程較長，農田栽參大規(guī)模推廣還存在技術壁壘，通過產地生態(tài)適宜性分析尋找最適宜人參栽培地有助于提高成功率。

本研究依據(jù)中國中醫(yī)科學院中藥研究所自主研發(fā)的“藥用植物全球產地生態(tài)適宜性區(qū)劃信息系統(tǒng)”（global geographic information system for medicinalplant，GMPGIS），在全球范圍內開展人參產地生態(tài)適宜性分析，進而選擇最適宜栽培區(qū)域內的農田進行非林地栽參試驗，以驗證GMPGIS系統(tǒng)的可行性和科學性。本研究從宏觀和微觀2個尺度開展人參適宜栽培地的選擇，為合理規(guī)劃人參生產、開展農田人參種植區(qū)劃、避免盲目引種及保證人參品質提供科學依據(jù)。本文在產地生態(tài)適宜性分析結果和項目組多年農田栽參研究數(shù)據(jù)基礎上，參考國內外農田栽參種植技術，初步制定了農田栽參選地規(guī)范，可為人參保護撫育、引種栽培、規(guī)范化農田種植提供科學依據(jù)。

1材料

1.1人參樣點

本研究在全球范圍內分別對中國、韓國、日本、朝鮮及俄羅斯遠東地區(qū)等人參分布區(qū)進行了選點。通過查閱相關文獻及網(wǎng)站，選擇人參藥材道地產區(qū)、主產區(qū)及野生分布區(qū)的27 1個樣點進行人參產地生態(tài)適宜性分析（表1）。其中，通過查閱相關文獻及實地考察，中國東北以及歷史上有記載的人參分布區(qū)選擇了163個樣點；韓國中部等人參產區(qū)選擇了42個樣點；朝鮮北部及南部開城等產區(qū)選擇了26個樣點；俄羅斯遠東及高加索等有記載人參分布區(qū)選擇了22個樣點；在日本長野縣、福島縣、島根縣以及北海道等人參產區(qū)選擇了18個樣點。

1.2GMPGIS數(shù)據(jù)來源

GMPGIS由中國中醫(yī)科學院中藥研究所自主研發(fā)，該系統(tǒng)氣候數(shù)據(jù)主要來源于WoddClim全球氣候數(shù)據(jù)庫（WoddClim-global climate data）和CliMond全球生物氣候學建模數(shù)據(jù)庫（CliMond：global climatologiesfor bioclimatic modelling），土壤數(shù)據(jù)來源于全球土壤數(shù)據(jù)庫（harmonized world soil database，HWSD）。

1.2.1氣候數(shù)據(jù)來源WorldClim全球氣候數(shù)據(jù)庫是由美國加州大學伯克利分校的Robert J Hijmans，Susan Cameron和Juan Parra發(fā)起并建立的一個全球氣候柵格數(shù)據(jù)庫。WorldClim是國際社會公認的區(qū)域性精確度較高的氣候數(shù)據(jù)庫，在植被分布預測及氣候變化響應等領域得到廣泛應用。WorldClim氣候柵格數(shù)據(jù)集，分辨率為30"，包括月最低溫度（rain temperature）、月最高溫度（max tem-perature）、月均溫度（mean temperature）、月均降水（precipitation）、海拔（altitude）以及19個生物氣候數(shù)據(jù)圖層。本研究選取其中的年均溫（B101，annualmean temperature）、最熱季均溫（BIO10，mean tem.perature of warmest quarter）、最冷季均溫（B1011，mean temperature of coldest quarter）、年均降水（BIO12，annual precipitation）等數(shù)據(jù)用于人參適宜產區(qū)分析。

CliMond數(shù)據(jù)庫致力于分享不同格式環(huán)境數(shù)據(jù)、建模數(shù)據(jù)等用于物種分布模型、物種瀕危模型及全球氣候變化等生態(tài)領域問題研究。CliMond數(shù)據(jù)庫氣候柵格數(shù)據(jù)的分辨率為10，包括：月最低溫度（minimum temperature，℃）、月最高溫度（maximumtemperature，℃）、月均降水（rainfall，mm/月）、月均上午9時相對濕度（relative humidity at 9 am）、月均下午3時相對濕度（relative humidity at 3 pm）以及35個生物氣候數(shù)據(jù)圖層。本研究選取年均輻射（BIO 20，annual mean radiation，W·m）、月均上午9時相對濕度和月均下午3時相對濕度計算得到的年均相對濕度用于人參全球最適宜產區(qū)分析。

1.2.2土壤數(shù)據(jù)來源DHWSD是由聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）和國際應用系統(tǒng)分析研究所（IIASA）共同組建的（http：//www.iiasa.ac.at/）。HWSD數(shù)據(jù)庫包括土壤名稱（參照FAO 90土壤分類系統(tǒng)）、質地、有效含水量、容重、有機質、酸堿度、電導率等指標。土壤類型包括強淋溶土（acrisols）、高活性強酸土（alisols）、暗色土（andosols）、紅砂土（arenosols）、人為土（anthrosols）、黑鈣土（cherno-zems）、鈣積土（calcisols）、始成土（cambisols）、沖積土（fluvisols）、淋溶土（1uvisols）、黏綈土（nitisols）、白漿土（planosols）、粗骨土（regosols）、變性土（verti.sols）等28種。

1.3農田栽參驗證試驗

根據(jù)人參全球產地生態(tài)適宜性分析結果，農田栽參項目組在與盛實百草藥業(yè)有限公司合作的吉林省和黑龍江省28個產地的1萬多畝（1畝=667㎡）人參基地開展了農田栽參選地規(guī)范研究。2012-2016年，從人參在中國最適宜種植區(qū)隨機選取了吉林省白山市靖宇縣太平村及吉林省通化市通化縣富強村2個前茬為玉米的試驗地進行農田栽參選地規(guī)范驗證研究。為避免連作障礙帶來的數(shù)據(jù)影響，2個地塊以林地土壤指標為參照經過了消毒等改良處理，重點調查了人參存苗率和發(fā)病率等生長相關指標。

1.4土壤樣品采集

采用蛇形（S形）取樣法在農田栽參試驗地采集土壤樣品，采樣點的分布盡量均勻，取樣深度為0～30cm，樣品過2mm篩，按照四分法取樣，每份樣品留500g用于土壤理化性狀分析。

2方法

2.1GMPGIS相似性算法設計

2.1.1數(shù)據(jù)標準化在進行相似性聚類分析前，對各種數(shù)據(jù)進行標準化處理以消除不同量綱的影響。GMPGIS采用線性標準化方法進行數(shù)據(jù)標準化處理，將數(shù)據(jù)值歸一化到0～100，如公式（1）所示。

2.1.2相似性聚類分析

聚類分析（cluster analy.sis）簡稱聚類（clustering），是把數(shù)據(jù)對象劃分成子集的過程。每個子集是1個簇，使簇中的對象彼此相似，但與其他簇中對象不同，由聚類分析產生的集合稱為簇類。GMPGIS系統(tǒng)中采用的聚類分析是以每個空間柵格作為1個聚類對象，n個生態(tài)因子數(shù)值作為該柵格的聚類條件，每個柵格都可以看成n維空間中1個點。因此，根據(jù)柵格間距離大小將不同柵格進行空間最小距離聚類，第i個柵格與第j個柵格間距離如公式（2）所示。

2.1.3柵格重分類根據(jù)距離計算結果柵格進行重分類，找出人參最大生態(tài)相似度區(qū)域。

2.2農田栽參土壤理化指標測定

土壤營養(yǎng)成分測定：全氮（TN）參考NY/T53-1987、速效磷（AP）參考NY/T148.1990、速效鉀（AK）參考NY/T 889-2004、有機質參考NY/T1121.6-2006、pH測定采用水浸提法、Ca²⁺含量和Mg²⁺含量測定采用乙酸銨交換EDTA絡合滴定法。

2.3數(shù)據(jù)分析

采用Excel2013進行數(shù)據(jù)處理，SPSS20.0進行單因素方差分析（ANOVA）。

3結果

3.1人參最大生態(tài)相似度區(qū)域分析

3.1.1人參在全球的最大生態(tài)相似度區(qū)域分析基于人參在全球分布區(qū)的271個樣點信息，GMPGIS分析得到人參主要生長區(qū)域生態(tài)因子值范圍為：年生長期均溫7.1～20.3℃，最冷季均溫一23.2～3.5，最熱季均溫12.3～24.6，年均溫-2.1～14.0，年均相對濕度為54.9%～71.8%，年均降雨量520.0～1999.0，年均日照為113.0～158.6。人參適宜產區(qū)土壤類型為強淋溶土、暗色土、始成土、潛育土等。人參最大生態(tài)相似度區(qū)域全球分布圖（圖1）。人參在全球的最大生態(tài)相似度區(qū)域（生態(tài)相似度99.9%～100%的區(qū)域）主要分布在亞洲的中國、日本、韓國、朝鮮、土耳其、格魯吉亞、阿塞拜疆及亞美尼亞；歐洲的俄羅斯、法國、意大利、烏克蘭、塞爾維亞、保加利亞、西班牙、匈牙利、羅馬尼亞、德國、瑞士以及北美洲的美國、加拿大等地區(qū)。人參全球最大生態(tài)相似度區(qū)域面積比例圖可見，人參在美國、加拿大和中國的最大生態(tài)相似度區(qū)域面積最大，占人參全球最大生態(tài)相似度區(qū)域面積的72.25%（圖2）。

3.1.2人參在中國的最大生態(tài)相似度區(qū)域分析基于人參在中國的樣點信息，根據(jù)GMPGIS分析得到人參在中國的最大生態(tài)相似度區(qū)域分布圖（圖3）。人參在中國的最大生態(tài)相似度區(qū)域包括黑龍江、吉林、遼寧、陜西、甘肅、湖北、四川、內蒙古、山東、河南、河北等省區(qū)。其中面積前3位的區(qū)域是黑龍江省、吉林省和遼寧?。▓D4）。黑龍江省適宜產區(qū)包括鐵力、嘉蔭、林口、海林、富錦、虎林、寶清等縣，吉林省適宜產區(qū)包括靖宇、撫松、通化、樺甸、集安、敦化、長白等縣，遼寧省適宜產區(qū)包括桓仁、新賓、寬甸、新?lián)?、鳳城、開原、法庫、新民等縣（表2）。